ES2548426B1 - Process for the treatment of water from bentonite sludge - Google Patents
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Abstract
Proceso para el tratamiento de aguas procedentes de lodos bentoníticos.#Proceso para el tratamiento de agua procedente de lodos bentoníticos que comprende las etapas de burbujeo en una columna de CO{sub,2} y sedimentación tal y como se define en la descripción.Process for the treatment of water from bentonite sludge. # Process for the treatment of water from bentonite sludge comprising the stages of bubbling in a column of CO {sub, 2} and sedimentation as defined in the description.
Description
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PROCESO PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS PROCEDENTES DE LODOSPROCESS FOR WATER TREATMENT FROM MUDS
BENTONÍTICOSBENTONITHICS
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
La presente invención se refiere a un proceso para el tratamiento de agua procedente de lodos bentoníticos.The present invention relates to a process for the treatment of water from bentonite sludge.
ESTADO DE LA TÉCNICASTATE OF THE TECHNIQUE
La bentonita es una arcilla compuesta por minerales de la familia de las smectitas, las cuales, a su vez, se pueden subdividir en siete grandes grupos.Bentonite is a clay composed of minerals from the smectite family, which, in turn, can be subdivided into seven large groups.
Generalmente la bentonita está compuesta por un 80% de montmorillonita, nombre que recibe uno de los grandes grupos de smectitas. Todas se caracterizan por tener una unidad estructural básica de tres capas, con disposición 2:1, lo que consiste en dos capas de tetraedros por cada capa de octaedros.Generally, bentonite is composed of 80% montmorillonite, a name given to one of the large groups of smectites. All are characterized by having a basic structural unit of three layers, with 2: 1 arrangement, which consists of two layers of tetrahedra for each layer of octahedra.
La bentonita tiene un elevado límite líquido, lo que implica que la mezcla no pierde estabilidad o consistencia cuando se le añade distintos volúmenes de agua. La principal característica de estos lodos es que al ser amasados pierden resistencia, comportándose como un fluido, sin embargo al quedar en reposo, vuelven a adquirir dicha resistencia. En el caso de la industria constructiva, la bentonita es muy utilizada en procesos de excavación: construcción de sondeos, pantallas de hormigón, túneles, etc. En estos casos, la bentonita y gracias a sus propiedades tixotrópicas y de viscosidad es utilizada para soportar las presiones del terreno sobre el hueco escavado, para refrigerar la cabeza cortante e impermeabilizar las paredes de la excavación impidiendo las filtraciones de agua procedentes de la formación geológica durante el proceso constructivo. Para ello, es necesario que el lodo (suspensión de bentonitas en agua) mantenga unas propiedades reológicas determinadas, que permitan sostener las paredes durante el proceso de excavación.Bentonite has a high liquid limit, which implies that the mixture does not lose stability or consistency when different volumes of water are added. The main characteristic of these sludges is that when they are kneaded they lose resistance, behaving like a fluid, however when they are at rest, they regain that resistance. In the case of the construction industry, bentonite is widely used in excavation processes: drilling construction, concrete screens, tunnels, etc. In these cases, bentonite and thanks to its thixotropic and viscosity properties is used to withstand the pressures of the soil on the hollowed hole, to cool the cutting head and waterproof the excavation walls preventing water leaks from the geological formation during the construction process. For this, it is necessary that the sludge (suspension of bentonites in water) maintain certain rheological properties that allow the walls to be supported during the excavation process.
Algunos factores pueden hacer que la bentonita pierda su efectividad:Some factors can cause bentonite to lose its effectiveness:
- Ataques bacterianos- Bacterial attacks
- Altas temperaturas- High temperatures
- Degradación mecánica- Mechanical degradation
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- Presencia de iones que elevan la dureza de las aguas- Presence of ions that increase water hardness
Tanto en aguas superficiales como en agua con altos niveles de salinidad, la atracción entre partículas y la repulsión operan de forma simultánea:Both in surface waters and in water with high levels of salinity, the attraction between particles and repulsion operate simultaneously:
- Las fuerzas de atracción de Van der Waals son independientes de la concentración salina- Van der Waals attraction forces are independent of salt concentration
- La repulsión electrostática decrece con el aumento de la salinidad.- Electrostatic repulsion decreases with increasing salinity.
Por lo tanto, en aguas con baja salinidad, la repulsión predomina, es decir, la suspensión se encuentra ampliamente defloculada ya que muy pocas partículas interactúan. Por otra lado, en aguas con elevada salinidad, la repulsión se reduce comenzando a predominar las fuerzas de atracción, y dando como resultado, la floculación de la suspensión.Therefore, in waters with low salinity, repulsion predominates, that is, the suspension is widely deflocculated since very few particles interact. On the other hand, in waters with high salinity, repulsion is reduced by beginning to attract attractive forces, and resulting in flocculation of the suspension.
Cuando una suspensión de bentonita de sodio es convertida en una suspensión de bentoníta de calcio, según Van Olphen (Torces between suspended bentonite particles, in Clays and Clay Minerals”, Nati. Acad. Sci.—Nati. Res. Coun. pub. 456, pp. 204-224, 1956), se dan una serie de diferencias:When a suspension of sodium bentonite is converted into a suspension of calcium bentonite, according to Van Olphen (Torces between suspended bentonite particles, in Clays and Clay Minerals ”, Nati. Acad. Sci. — Nati. Res. Coun. Pub. 456 , pp. 204-224, 1956), there are a number of differences:
- La suspensión de bentonita de calcio es menos transparente y sedimenta más rápidamente que la suspensión de bentonita de sodio. Esta diferencia podría indicar un mayor tamaño de partícula media en la suspensión de bentonitas de calcio.- The calcium bentonite suspension is less transparent and sediments faster than the sodium bentonite suspension. This difference could indicate a larger average particle size in the calcium bentonite suspension.
- La presencia de iones divalentes de calcio en el plano de la doble capa causa un mayor grado de asociaciones paralelas (o floculación) de las capas unidas que los iones sodios monovalentes. Esta asociación es lo que cabe esperarse a partir de la teoría de la doble capa eléctrica.- The presence of divalent calcium ions in the plane of the double layer causes a greater degree of parallel associations (or flocculation) of the bonded layers than monovalent sodium ions. This association is what can be expected from the theory of the double electrical layer.
Stawinski et al. “(“Influence of calcium and sodium concentration on the microstructure of bentonite and kaolín". Clays and Clay Minerals, Vol. 38, No. 6, 617-622,1990) analizaron las estructuras de los agregados que forman la bentonita y la caolinita cuando se les añaden diferentes cantidades de Na y de Ca. Con sus ensayos concluyeron que los flóculos formados cuando se añade calcio son de mayor tamaño que los formados por la adición de sodio en la misma concentración.Stawinski et al. "(" Influence of calcium and sodium concentration on the microstructure of bentonite and kaolin ". Clays and Clay Minerals, Vol. 38, No. 6, 617-622, 1990) analyzed the structures of the aggregates that form bentonite and kaolinite when different amounts of Na and Ca are added. With their tests they concluded that the flocs formed when calcium is added are larger than those formed by the addition of sodium in the same concentration.
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Así pues, un factor esencial que determinará la estabilidad de los lodos de bentonitas es la salinidad del agua utilizada en su generación. De forma que aguas con elevada salinidad producirán lodos inestables, que tenderán a flocular y perderán por tanto sus propiedades Teológicas. Por tanto, todo tratamiento cuyo objetivo sea el reciclaje de las aguas procedentes de lodos bentónicos debería estar enfocado en reducir la concentración de las sales disueltas.Thus, an essential factor that will determine the stability of bentonite sludge is the salinity of the water used in its generation. So that waters with high salinity will produce unstable sludge, which will tend to flocculate and therefore lose its Theological properties. Therefore, any treatment whose objective is the recycling of water from benthic sludge should be focused on reducing the concentration of dissolved salts.
Es imprescindible definir los límites de calidad hasta los que se necesita llegar, antes de proponer que tipo de tratamiento es más acorde para nuestras aguas. Para ello, se han realizado diversas experiencias en laboratorio, definiendo los límites en la concentración de los principales iones disueltos (Na+ y Ca2+) y que según la bibliografía, podrían dar problemas de floculación.It is essential to define the quality limits that need to be reached, before proposing what type of treatment is most appropriate for our waters. For this, various laboratory experiences have been carried out, defining the limits on the concentration of the main dissolved ions (Na + and Ca2 +) and which according to the literature, could cause flocculation problems.
Identificados los responsables de los procesos de floculación, es importante establecer el punto en la línea de proceso en el que las aguas se contaminan con dichos iones.Once those responsible for the flocculation processes have been identified, it is important to establish the point in the process line where the water is contaminated with these ions.
La presencia de estos iones, Na+ y Ca2t puede provenir de diversas fuentes, como la concentración de las aguas de partida, aportes por aguas subterráneas, aportes por el terreno o incluso aportes por el cemento en los procesos de entibación. Pero la fuente que se ha identificado como más importante, es la adicción de cal (CaO) al lodo, antes del proceso de filtrado. Es la cal la responsable de los elevados pH y de las altas concentraciones de los iones Ca2+. El problema es que la adicción de cal se hace necesario para el proceso de filtrado de lodos, por lo que el problema no se puede corregir en origen, y se hace inevitable la aplicación de un tratamiento corrector al final de proceso.The presence of these ions, Na + and Ca2t can come from various sources, such as the concentration of the starting waters, contributions by groundwater, contributions by the ground or even contributions by the cement in the entibación processes. But the source that has been identified as most important is the addition of lime (CaO) to the mud, before the filtering process. Lime is responsible for the high pH and high concentrations of Ca2 + ions. The problem is that the addition of lime is necessary for the sludge filtration process, so the problem cannot be corrected at source, and the application of a corrective treatment at the end of the process is inevitable.
Los lodos de bentonitas son utilizados en las obras de construcción durante el proceso de entibación, gracias a sus propiedades para sujetar las paredes, antes del fraguado del hormigón. Para ello, es necesario que el lodo (suspensión de bentonitas en agua) mantenga unas propiedades Teológicas determinadas, que permitan sostener las paredes durante el proceso de excavación. También cumplen funciones de refrigeración en la cabeza de corte de la perforadora. Estos lodos, son utilizados varias veces (por lo general tres vueltas) en función de los materiales atravesados. Cuando las pruebas de viscosidad y la propia experiencia del "lodero" lo hacen necesario, se separa el agua de la torta bentonítica.Bentonite sludge is used in construction sites during the entibación process, thanks to its properties to hold the walls, before setting the concrete. For this, it is necessary that the sludge (suspension of bentonites in water) maintain certain theological properties that allow the walls to be supported during the excavation process. They also perform cooling functions on the cutter head of the drill. These sludges are used several times (usually three turns) depending on the materials crossed. When the viscosity tests and the "lodero" experience itself make it necessary, the water is separated from the bentonite cake.
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El problema aparece, cuando una vez utilizado el lodo, y sometido al proceso de separación (bentonita y agua) mediante la aplicación de un filtro prensa, se trata de reutilizar el agua para generar nuevos lodos. Es en este momento, el agua, y debido a a la variación de calidad que sufre durante el proceso constructivo, interfiere en el buen funcionamiento de la bentonita, formando un lodo inestable, que tiende a flocular, y pierde por tanto las propiedades necesarias para su aplicación.The problem arises, when once the mud is used, and subjected to the separation process (bentonite and water) by applying a filter press, it is about reusing the water to generate new sludge. It is at this time, the water, and due to the variation in quality that it undergoes during the construction process, interferes with the proper functioning of the bentonite, forming an unstable sludge, which tends to flocculate, and therefore loses the necessary properties for its application.
Así pues, no es útil ningún tratamiento basado en la eliminación de sales mediante tecnologías de membrana o mediante intercambio iónico. En el primer caso debido a la rápida saturación y ensuciamiento de los filtros y la membrana por la precipitación de CaC03, y en el segundo, debido a las altas conductividades de nuestras aguas de partida. Además, en el caso del intercambio iónico se produciría también una rápida colmatación de las resinas.Thus, no treatment based on the removal of salts by membrane technologies or by ion exchange is not useful. In the first case due to the rapid saturation and fouling of the filters and the membrane due to the precipitation of CaC03, and in the second, due to the high conductivities of our starting waters. In addition, in the case of ion exchange there would also be a rapid clogging of the resins.
Por tanto, sería deseable disponer de un procedimiento de reciclaje de las aguas procedentes de lodos bentoníticos para reducir los consumos de agua que, a la vez, permita dotar al agua reciclada de la calidad suficiente para ser vertida en cumplimiento con los parámetros establecidos por la legislación.Therefore, it would be desirable to have a procedure for recycling water from bentonite sludge to reduce water consumption that, at the same time, allows the recycled water to be provided with sufficient quality to be discharged in compliance with the parameters established by the legislation.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓNDESCRIPTION OF THE INVENTION
Así pues, un primer aspecto de la presente invención se refiere a un proceso para el tratamiento de agua procedente de lodos bentoníticos que comprende las etapas de:Thus, a first aspect of the present invention relates to a process for the treatment of water from bentonite sludges comprising the steps of:
i) introducción del agua procedente de lodos bentoníticos en una columna de burbujeo con C02 caracterizado por:i) introduction of water from bentonite sludge into a bubbling column with C02 characterized by:
- burbujear C02 en continuo,- bubble C02 continuously,
- de forma homogénea,- in a homogeneous way,
- con una relación altura/diámetro de entre 8 y 12,- with a height / diameter ratio between 8 and 12,
- a un pH entre 8 y 10,5,- at a pH between 8 and 10.5,
- en una relación Qagua/Qco2 de entre 1,8 y 2,2, y- in a Qagua / Qco2 ratio between 1.8 and 2.2, and
- durante un tiempo de residencia de entre 1,5 y 3 minutos; y- during a residence time of between 1.5 and 3 minutes; Y
ii) sedimentación en un tiempo de retención hidráulico de entre 25 y 40 minutos y una carga hidráulica de entre 0,5 y 0,85 m3/m2h.ii) sedimentation in a hydraulic retention time of between 25 and 40 minutes and a hydraulic load of between 0.5 and 0.85 m3 / m2h.
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En otra realización la invención se refiere al proceso tal y como se ha definido anteriormente, que además comprende una etapa de filtración posterior a la etapa (ü) caracterizada porque se utiliza un filtro de arena.In another embodiment the invention relates to the process as defined above, which further comprises a post-stage filtration stage (ü) characterized in that a sand filter is used.
En otra realización la invención se refiere al proceso tal y como se ha definidoIn another embodiment the invention relates to the process as defined.
anteriormente, donde la relación altura/diámetro de la columna de burbujeo con C02 es de 10.above, where the height / diameter ratio of the bubble column with C02 is 10.
En otra realización la invención se refiere al proceso tal y como se ha definidoIn another embodiment the invention relates to the process as defined.
anteriormente, donde el pH de la etapa (i) es de 8,27.above, where the pH of step (i) is 8.27.
En otra realización la invención se refiere al proceso tal y como se ha definidoIn another embodiment the invention relates to the process as defined.
anteriormente, donde el tiempo de residencia en la columna de burbujeo con C02 es de 2 minutos.above, where the residence time in the bubble column with C02 is 2 minutes.
En otra realización la invención se refiere al proceso tal y como se ha definidoIn another embodiment the invention relates to the process as defined.
anteriormente, donde el tiempo de retención hidráulico en la etapa (ii) es de 30 minutos.above, where the hydraulic retention time in step (ii) is 30 minutes.
En otra realización la invención se refiere al proceso tal y como se ha definidoIn another embodiment the invention relates to the process as defined.
anteriormente, donde la sedimentación se selecciona de sedimentación zonal.above, where sedimentation is selected from zonal sedimentation.
En otra realización la invención se refiere al proceso tal y como se ha definidoIn another embodiment the invention relates to the process as defined.
anteriormente, donde la carga hidráulica es de 0,70 m3/m2h.previously, where the hydraulic load is 0.70 m3 / m2h.
En otra realización la invención se refiere al proceso tal y como se ha definidoIn another embodiment the invention relates to the process as defined.
anteriormente, donde el sedimentador es de tipo rectangular.previously, where the settler is rectangular.
En otra realización la invención se refiere al proceso tal y como se ha definidoIn another embodiment the invention relates to the process as defined.
anteriormente, caracterizado porque el sedimentador además comprende un deflector.previously characterized in that the settler also comprises a deflector.
A lo largo de la presente invención, el término "lodo bentonítico” se refiere a una suspensión acuosa de bentonita (arcilla montmorillonítica), que gracias a sus propiedades Teológicas es frecuentemente utilizado en construcción para evitar o reducir los derrumbes del terreno en los procesos de perforación o excavado.Throughout the present invention, the term "bentonite sludge" refers to an aqueous suspension of bentonite (montmorillonite clay), which thanks to its Theological properties is frequently used in construction to prevent or reduce landslides in the processes of drilling or excavating
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El término “burbujear en continuo” se refiere al proceso por el cual el gas es inyectado en forma de burbujas sobre una fase líquida de flujo continuo que se pretende tratar.The term "continuous bubbling" refers to the process by which the gas is injected in the form of bubbles over a liquid phase of continuous flow that is intended to be treated.
El término “burbujear de forma homogénea" se refiere al proceso por el cuál el gas es inyectado de forma constante y homogénea sobre la base de la columna de tratamiento, asegurando un mayor contacto con la fase líquidaThe term "bubbling in a homogeneous manner" refers to the process by which the gas is injected constantly and homogeneously on the basis of the treatment column, ensuring greater contact with the liquid phase.
La relación aQ„7JQr.™’ significa la relación entre el caudal de agua tratado en la columna de burbujeo y el caudal de C02 inyectado en la base de la columnaThe ratio aQ „7JQr. ™’ means the relationship between the flow of water treated in the bubble column and the flow of CO2 injected at the base of the column
El término “tiempo de residencia" se refiere a una distribución de probabilidad que describe la cantidad de tiempo que un elemento diferencial de un fluido puede pasar dentro de un reactorThe term "residence time" refers to a probability distribution that describes the amount of time that a differential element of a fluid can spend inside a reactor
El término "tiempo de retención hidráulico” se refiere al tiempo de permanencia del agua a tratar en el sedimentadorThe term "hydraulic retention time" refers to the residence time of the water to be treated in the settler
El término “filtro de arena” significa un filtro a presión sobre medio granular cuyo objetivo es la eliminación de los sólidos en suspensión que no son eliminados en la fase de sedimentaciónThe term “sand filter” means a pressure filter on granular medium whose objective is the elimination of suspended solids that are not eliminated in the sedimentation phase
El término “sedimentación zonal", o sedimentación tipo III o retardada se refiera al tipo de sedimentación en la que existen una interacción entre las partículas que sedimentan, de tal forma que la masa de partículas sedimenta en conjunto como una unidad o zona espacial.The term "zonal sedimentation", or type III or delayed sedimentation refers to the type of sedimentation in which there is an interaction between the particles that settle, so that the mass of particles settles together as a unit or spatial zone.
El término “sedimentador rectangular” se refiere al dispositivo de geometría rectangular en el que ocurre el proceso de sedimentaciónThe term "rectangular settler" refers to the rectangular geometry device in which the settling process occurs
El término “deflector" se refiere al dispositivo que reduce la velocidad de entrada del agua en el sedimentador y la homogeniza, evitando la existencia de canales prefe réndalesThe term "deflector" refers to the device that reduces the speed of water entering the settler and homogenizes it, avoiding the existence of preferennial channels.
El término “carga hidráulica” se refiere al volumen de agua que es suministrado al sedimentador por unidad de superficie y tiempoThe term "hydraulic load" refers to the volume of water that is supplied to the settler per unit area and time
A lo largo de la descripción y las reivindicaciones la palabra "comprende" y sus variantes no pretenden excluir otras características técnicas, aditivos, componentes o pasos. Para losThroughout the description and the claims the word "comprises" and its variants are not intended to exclude other technical characteristics, additives, components or steps. For the
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expertos en la materia, otros objetos, ventajas y características de la invención se desprenderán en parte de la descripción y en parte de la práctica de la invención. Los siguientes ejemplos y figuras se proporcionan a modo de ilustración, y no se pretende que sean limitativos de la presente invención.Those skilled in the art, other objects, advantages and features of the invention will emerge in part from the description and in part from the practice of the invention. The following examples and figures are provided by way of illustration, and are not intended to be limiting of the present invention.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURASBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
FIG. 1 representa un diagrama de Bjerrum.FIG. 1 represents a diagram of Bjerrum.
FIG. 2 representa una propuesta de tratamiento para el reciclaje de las aguas.FIG. 2 represents a treatment proposal for water recycling.
FIG. 3 Representa el diseño de un experimento para estimar las principales variables de la columna de burbujeo.FIG. 3 Represents the design of an experiment to estimate the main variables of the bubble column.
FIG 4 Representa la relación entre la conductividad (pS/cm) y el pH a la salida de laFIG 4 Represents the relationship between conductivity (pS / cm) and pH at the output of the
columna de burbujeo.bubble column
FIG 5 Representa la relación entre la conductividad (pS/cm) y la Relación Qagua/Qco2 a la salida de la columna de burbujeo.FIG 5 Represents the relationship between conductivity (pS / cm) and the Qagua / Qco2 Ratio at the exit of the bubble column.
FIG 6 Avance de los frentes de sedimentación en función del tiempo (de izquierda a derecha}.FIG 6 Advancement of settling fronts as a function of time (from left to right}.
FIG 7 Velocidad de sedimentación de los frentes de clarificación para las distintas experiencias realizadas.FIG 7 Sedimentation rate of the clarification fronts for the different experiences.
FIG 8 Evolución de la concentración de Sólidos en Suspensión en función del tiempo..FIG 8 Evolution of the concentration of Suspended Solids as a function of time.
FIG 9 Resultado del test de floculación.FIG 9 Result of the flocculation test.
EJEMPLOSEXAMPLES
A continuación se ilustrará la invención mediante unos ensayos realizados por los inventores, que pone de manifiesto la efectividad del producto de la invención.The invention will now be illustrated by tests carried out by the inventors, which demonstrates the effectiveness of the product of the invention.
Ejemplo 1: Límites de los iones sodio y calcioExample 1: Limits of sodium and calcium ions
Para conocer los límites de calidad a partir de los cuales comienzan los procesos de floculación se ha realizado una experiencia basada en la dilución del agua bruta de entrada con agua destilada (cuya concentración de cationes se puede considerar despreciable). De esta forma, y conociendo en todo momento las variables de concentración de los diferentes cationes (principalmente Na+ y Ca2+), así como la relación existente entre ellos, se pueden establecer los distintos límites de calidad a los que comienzan los procesos de floculación. Las diluciones preparadas fueron sometidas a un test de floculación (bentonita al 3%, 45 minIn order to know the quality limits from which the flocculation processes begin, an experience has been carried out based on the dilution of the raw input water with distilled water (whose concentration of cations can be considered negligible). In this way, and knowing at all times the concentration variables of the different cations (mainly Na + and Ca2 +), as well as the relationship between them, you can set the different quality limits at which the flocculation processes begin. The dilutions prepared were subjected to a flocculation test (3% bentonite, 45 min
de agitación en ei Jar Test (Phipps & Bird, "A Simplified Jar Test Procedure", Richmond, VA., January 1995.) y 15 h de reposo.of agitation in the Jar Test (Phipps & Bird, "A Simplified Jar Test Procedure", Richmond, VA., January 1995.) and 15 hours of rest.
Como resultado del Jar Test, se observó la floculación a unas concentraciones de Na+ de 5 176,3 ppm (173,5 teórico) y Ca2+ de 206,9 ppm (208 teórico). En la Tabla 1 se recogen losAs a result of the Jar Test, flocculation was observed at Na + concentrations of 5 176.3 ppm (173.5 theoretical) and Ca2 + of 206.9 ppm (theoretical 208). Table 1 shows the
valores agregados de las dos experiencias realizadas. Se expresan en valores de concentración de los iones Na+ y Ca2*, tanto en mg/l, como en miliequivalente (meq). Además, se expresa la relación Ca2*/ Na+.aggregate values of the two experiences. They are expressed in concentration values of Na + and Ca2 * ions, both in mg / l, and in milliequivalent (meq). In addition, the Ca2 * / Na + ratio is expressed.
10 Tabla 1. Analítica de las distintas diluciones, resultados del test de floculación y relación Ca2*/Na*10 Table 1. Analyzes of the different dilutions, flocculation test results and Ca2 * / Na * ratio
- Test floculación Flocculation test
- Na* ppm Ca2* ppm Relación (ppm) Ca2* / Na* Na* meq/l Ca2* meq/l Relación {meq) Ca2*/ Na* Na * ppm Ca2 * ppm Ratio (ppm) Ca2 * / Na * Na * meq / l Ca2 * meq / l Ratio {meq) Ca2 * / Na *
- No (1) No (1)
- 73,4 100,4 1,37 3,19 5,02 1,57 73.4 100.4 1.37 3.19 5.02 1.57
- No (2) No (2)
- 131,9 153,7 1,17 5,73 7,69 1,34 131.9 153.7 1.17 5.73 7.69 1.34
- No (1) No (1)
- 137,1 186,6 1,36 5,96 9,33 1,57 137.1 186.6 1.36 5.96 9.33 1.57
- Si (2) Yes 2)
- 176,3 206,9 1,17 7,67 10,35 1,35 176.3 206.9 1.17 7.67 10.35 1.35
- Si (2) Yes 2)
- 196,0 240,9 1,23 8,52 12,23 1,44 196.0 240.9 1.23 8.52 12.23 1.44
- Si (2) Yes 2)
- 218,1 249,4 1,14 9,48 12,47 1,32 218.1 249.4 1.14 9.48 12.47 1.32
- Si (2) Yes 2)
- 233,3 244,5 1,05 10,14 12,23 1,21 233.3 244.5 1.05 10.14 12.23 1.21
De las experiencias realizadas podemos concluir que los procesos de floculación están directamente relacionados con la concentración de iones Na* y Ca2+ y por tanto con la 15 conductividad del agua.From the experiences we can conclude that the flocculation processes are directly related to the concentration of Na * and Ca2 + ions and therefore with the conductivity of the water.
Para los iones Na* y Ca2t los límites se establecen en concentraciones de 135-175 ppm y 185-205 ppm respectivamente, con una relación Na*/Ca2* cercana a 1,5 y unas conductividades alrededor de los 3100 pS/cm.For Na * and Ca2t ions the limits are set at concentrations of 135-175 ppm and 185-205 ppm respectively, with a Na * / Ca2 * ratio close to 1.5 and conductivities around 3100 pS / cm.
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Ejemplo 2: Límites del ión sodioExample 2: Sodium ion limits
Puesto que el ión Ca2* es mucho menos soluble en agua, es interesante conocer los límites de floculación de las bentonitas, en el caso de la presencia exclusiva del ión Na*. Para ello, 25 se ha repetido el procedimiento anterior, pero en este caso, se han preparado diferentesSince the Ca2 * ion is much less soluble in water, it is interesting to know the flocculation limits of bentonites, in the case of the exclusive presence of the Na * ion. For this, the previous procedure has been repeated, but in this case, different ones have been prepared
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diluciones de agua con NaCI a concentraciones conocidas. Posteriormente se las ha sometido a un test de floculación, para determinar los límites. Para asegurarnos que el pH no interviene de forma directa en estos procesos, se han preparado las disoluciones a un pH de 7 y a un pH de 9,7. En la tabla 2 se muestran los resultados obtenidos.dilutions of water with NaCI at known concentrations. Subsequently they have been subjected to a flocculation test, to determine the limits. To ensure that the pH does not directly intervene in these processes, the solutions have been prepared at a pH of 7 and at a pH of 9.7. Table 2 shows the results obtained.
Tabla 2. Límites con respecto al ión Na+Table 2. Limits with respect to the Na + ion
- [Na+] [Na +]
- pH Cond (pS/cm) Test pH Cond (pS / cm) Test
- 450 450
- 6,80 1.499 No 6.80 1,499 No
- 550 550
- 7,02 2.340 No 7.02 2.340 No
- 650 650
- 6,98 2.850 No 6.98 2,850 No
- 700 700
- 7,05 3.280 Sí 7.05 3.280 Yes
- [Na+] [Na +]
- PH Cond (pS/cm) Test PH Cond (pS / cm) Test
- 450 450
- 9,70 1.524 No 9.70 1,524 No
- 550 550
- 9,71 2.350 No 9.71 2,350 No
- 650 650
- 9,70 2.900 No 9.70 2,900 No
- 700 700
- 9,70 3.460 Sí 9.70 3.460 Yes
En elAt
cas ocas o
del Na+ (en solitario), el límite se establece entre los 650 y los 700 ppm y conductividades cercanas a los 3.000 pS/cm. Es muy importante conocer este límite, pues los procesos de precipitación son mucho más efectivos con el ión Ca2+, de forma que el ión Na+ puede ser más persistente en los distintos tratamientos, e irse acumulando en los distintos ciclos de reciclaje de las aguas.of Na + (alone), the limit is set between 650 and 700 ppm and conductivities close to 3,000 pS / cm. It is very important to know this limit, since the precipitation processes are much more effective with the Ca2 + ion, so that the Na + ion can be more persistent in the different treatments, and accumulate in the different water recycling cycles.
Ejemplo 3: Eliminación de carbonatos por medio de burbujeo de C02 y posterior sedimentaciónExample 3: Removal of carbonates by bubbling C02 and subsequent settling
Fundamento teóricotheoretical foundation
El sistema CCVAgua tiene una gran importancia en las aguas naturales. Es el responsable de controlar numerosas reacciones, actuando sobre el pH, debido a su efecto tampón. La concentración de carbonatos en agua, así como la especie predominante, está determinada por el pH, de forma que en aguas con pH elevados, la especie de carbonatos predominante debe ser el C032'.The CCVAgua system is of great importance in natural waters. It is responsible for controlling numerous reactions, acting on the pH, due to its buffer effect. The concentration of carbonates in water, as well as the predominant species, is determined by the pH, so that in waters with high pH, the predominant carbonate species must be C032 '.
En este caso particular, al tener unos pH tan elevados (superiores a 12), la especie predominante son los OH', debido a que estos también se encuentran relacionados con el sistema CCVAgua (ver diagrama de Bjerrum de la Fig. 1 en el que se puede observar como en el sistema C02-Agua, la especie de carbonato predominante viene determinada por el pH de la disolución así como por la presión parcial de C02). Un aumento en la presión parcial de C02 podría desplazar el sistema hacia la formación de carbonatos (HC03 y C032), reduciendo el pH y favoreciendo la formación de reacciones de precipitación con losIn this particular case, having such high pH levels (above 12), the predominant species are OH ', because these are also related to the CCVAgua system (see Bjerrum diagram of Fig. 1 in which it can be observed that in the C02-Water system, the predominant carbonate species is determined by the pH of the solution as well as by the partial pressure of C02). An increase in the partial pressure of C02 could move the system towards the formation of carbonates (HC03 and C032), reducing the pH and favoring the formation of precipitation reactions with the
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cationes presentes en el agua (Ca2+ en este caso). Al producirse estas reacciones, eliminaremos carbonatos del sistema, de forma que se podrá disolver más C02 y por tanto formarse más carbonatos. Este proceso se denomina carbonatación, y aunque ocurre de forma natural, es demasiado lento.cations present in water (Ca2 + in this case). When these reactions occur, we will remove carbonates from the system, so that more CO2 can be dissolved and therefore more carbonates can be formed. This process is called carbonation, and although it occurs naturally, it is too slow.
Las reacciones de precipitación están controladas por el pH, de forma que a pH demasiado bajos (menores a 8), la solubilidad de las sales aumentará, y no se producirá estos precipitados. Teóricamente se puede conocer el punto de pH al que la solubilidad del carbonato calcio es mínima, y por tanto, el punto donde conseguiremos una mayor eliminación de sales. Este punto se establece en 8,27.Precipitation reactions are controlled by the pH, so that at too low pH (less than 8), the solubility of the salts will increase, and these precipitates will not occur. Theoretically, the pH point at which the solubility of calcium carbonate is minimal can be known, and therefore, the point where we will achieve a greater elimination of salts. This point is set at 8.27.
De esta forma, y basándonos en el fundamento teórico, una inyección de C02 en el sistema, producirá un descenso del pH, desplazando la curva hacia la izquierda y permitiendo que la especie predominante en el equilibrio C02-agua sea el bicarbonato. Este bicarbonato reaccionara con los iones Ca2+, precipitando en forma de carbonato cálcico. Deberemos inyectar C02 hasta conseguir un pH cercano al de mínima solubilidad de CaC03l de forma que podamos eliminar la mayor parte de iones Ca+ del sistema, y reducir por tanto la conductividad.In this way, and based on the theoretical basis, an injection of C02 into the system will produce a decrease in pH, shifting the curve to the left and allowing the predominant species in the C02-water balance to be bicarbonate. This bicarbonate will react with the Ca2 + ions, precipitating in the form of calcium carbonate. We will have to inject C02 until we get a pH close to the minimum solubility of CaC03l so that we can eliminate most Ca + ions from the system, and therefore reduce the conductivity.
Diseño del tratamientoTreatment design
Se propone un tratamiento que siga el esquema de la Fig. 2, donde (1) es el agua bruta de entrada (pH = 12,3 y Cond. > 8.000 MicroS/cm), (2) es el filtro prensa, (3) es la columna de burbujeo, (4) es el difusor, (5) es el sedimentador, (6) es el CaC03 precipitado y (7) es el agua tratada (pH = p y Cond. < 2.000 MicroS/cm). El tratamiento consta de una parte inicial, donde el agua es sometida a un burbujeo de C02. Esto favorece el fenómeno de carbonatación, de forma que se reducirá la concentración de iones Ca2+ y la conductividad. En una segunda parte, el agua entra en un sedimentador, y al disminuir su velocidad, se produce la sedimentación del carbonato cálcico formado. El sistema funcionaría en continuo. Con este simple tratamiento debería bastar para obtener un agua de calidad suficiente para ser reutilizada.A treatment is proposed that follows the scheme in Fig. 2, where (1) is the raw input water (pH = 12.3 and Cond.> 8,000 MicroS / cm), (2) is the filter press, (3 ) is the bubble column, (4) is the diffuser, (5) is the settler, (6) is the precipitated CaC03 and (7) is the treated water (pH = py Cond. <2,000 MicroS / cm). The treatment consists of an initial part, where the water is subjected to a bubbling of C02. This favors the phenomenon of carbonation, so that the concentration of Ca2 + ions and conductivity will be reduced. In a second part, the water enters a settler, and as its speed decreases, sedimentation of the calcium carbonate formed occurs. The system would work continuously. With this simple treatment it should be enough to obtain water of sufficient quality to be reused.
Para el diseño de este sistema ha sido necesario realizar diversas experiencias de laboratorio, donde se han estimado las principales variables necesarias para el diseño tanto de las columnas de burbujeo como del sedimentador.For the design of this system it has been necessary to carry out various laboratory experiences, where the main variables necessary for the design of both the bubble columns and the settler have been estimated.
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Diseño de la columna de burbujeoBubble column design
La columna de burbujeo es el reactor donde se favorecen los procesos de carbonatación, por lo que debe ser diseñada para que la transferencia gas-líquido sea lo más rápido y eficaz posible. Para optimizar el tratamiento, se diseña un reactor que sea capaz de trabajar en continuo, de forma que el tamaño pueda ajustarse a las necesidades reales. Es un elemento esencial en el tratamiento, por lo que su diseño se deberá ajustar a los valores experimentales que se consideren más óptimos.The bubble column is the reactor where carbonation processes are favored, so it must be designed so that the gas-liquid transfer is as fast and efficient as possible. To optimize the treatment, a reactor is designed that is capable of working continuously, so that the size can be adjusted to the real needs. It is an essential element in the treatment, so its design should be adjusted to the experimental values that are considered most optimal.
Las variables que determinarán el correcto funcionamiento de la columna de sedimentación son:The variables that will determine the correct functioning of the sedimentation column are:
• pH operacional. Es necesario determinar el rango de pH óptimo para conseguir una mayor precipitación de carbonatos. Esta se consigue cuando la conductividad de las aguas sea menor.• Operational pH. It is necessary to determine the optimum pH range to achieve higher carbonate precipitation. This is achieved when the conductivity of the water is lower.
• Relación Q^.JQr.n?. Esta relación determina el pH final de la dilución. Aunque se debe ajustar en cada caso concreto, pues la difusión del gas dependerá mucho de la propia columna, es interesante conocer un orden de magnitud experimental.• Relationship Q ^ .JQr.n ?. This ratio determines the final pH of the dilution. Although it must be adjusted in each specific case, since the diffusion of the gas will depend a lot on the column itself, it is interesting to know an order of experimental magnitude.
• Tiempo de residencia. Inversamente proporcional al caudal de C02 y proporcional al caudal de agua.• Residence time. Conversely proportional to the C02 flow rate and proportional to the water flow rate.
Para el cálculo de estas variables, se ha desarrollado un experimento con una columna de burbujeo a escala (Fig. 3, donde (1) es el agua bruta de entrada (pH = 12,3 y Cond. > 8.000 MicroS/cm), (8) es el caudalímetro, (9) es la bala de C02, (10) es el controlador de flujo, (3) es la columna de burbujeo, (4) es el difusor y (7) es el agua tratada (pH = p y Cond. < 2.000 MicroS/cm). La columna utilizada tenía un tamaño de 63 cm de altura por 8 cm de diámetro, y una relación altura/diámetro igual a 8. El caudal de agua usado era de 1,5 l/min, lo que nos daba un tiempo de residencia de 2 minutos. Gracias a la utilización de un controlador de flujo másico, se podía variar el caudal de C02 a burbujear. Al variar el caudal de C02 inyectado, se varía el pH final de la disolución. Para asegurarnos la validez de los resultados de cada experiencia, se dejaba trabajar la columna con las condiciones fijadas durante al menos 15 m¡n.For the calculation of these variables, an experiment was carried out with a bubble column at scale (Fig. 3, where (1) is the raw input water (pH = 12.3 and Cond.> 8,000 MicroS / cm), (8) is the flowmeter, (9) is the bullet of C02, (10) is the flow controller, (3) is the bubble column, (4) is the diffuser and (7) is the treated water (pH = py Cond. <2,000 MicroS / cm) The column used was 63 cm high by 8 cm in diameter, and a height / diameter ratio equal to 8. The water flow used was 1.5 l / min, which gave us a residence time of 2 minutes Thanks to the use of a mass flow controller, the flow rate of C02 to be bubbled could be varied By varying the flow rate of injected C02, the final pH of the Dissolution To ensure the validity of the results of each experience, the column was allowed to work with the conditions set for at least 15 minutes.
Después de varios experimentos para determinar el pH y la Relación GagUa/Gco2 óptimas de funcionamiento. Se han considerado como óptimas aquellas que producen una menor conductividad en las aguas de salida. Para establecer el pH y la conductividad, fueAfter several experiments to determine the optimum pH and GagUa / Gco2 ratio. Those that produce a lower conductivity in the outlet waters have been considered optimal. To establish the pH and conductivity, it was
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necesario dejar las muestras en reposo un cierto tiempo (alrededor de 1 min) para que se estabilicen los valores. Así, en la Fig. 4 se muestra que el rango óptimo de pH es 1 y en la Fíg. 5 se muestra que el rango óptimo de la Relación Qagua/Qco2 es 1.it is necessary to leave the samples at rest for a certain time (about 1 min) for the values to stabilize. Thus, in Fig. 4 it is shown that the optimum pH range is 1 and in Fig. 5 shows that the optimum range of the Qagua / Qco2 Ratio is 1.
Por tanto, aunque el pH teórico donde el carbonato cálcico alcanza su menor solubilidad se establece en 8,27, las experiencias realizadas demuestran que no existen grandes diferencias en el rango de pH establecido entre 8 y 10,5, de forma que los mejores rendimientos (máxima reducción de la conductividad) se consiguen en ese rango.Therefore, although the theoretical pH where calcium carbonate reaches its lowest solubility is set at 8.27, the experiences carried out show that there are no large differences in the established pH range between 8 and 10.5, so that the best yields (maximum conductivity reduction) are achieved in that range.
Por otro lado, la Relación Qagua/Qco2 óptima para obtener los máximos rendimientos se establece en un rango entre 1,8 y 2,2.On the other hand, the optimal Qagua / Qco2 ratio to obtain maximum yields is set in a range between 1.8 and 2.2.
Estas variables se han estimado para un tiempo de residencia del agua en la columna de 2 min. Este tiempo se ha considerado óptimo en función de anteriores experiencias realizadas.These variables have been estimated for a residence time of water in the column of 2 min. This time has been considered optimal based on previous experiences.
Así pues la columna debería cumplir las siguientes condiciones:Thus the column should meet the following conditions:
• R altura/diámetro de la columna = 10 para favorecer los procesos de transferencia del gas• R column height / diameter = 10 to favor gas transfer processes
• R Qagua/QC02 = 1,8 - 2,2• R Qagua / QC02 = 1.8 - 2.2
• pH operacional = 8 - 10,5• Operational pH = 8 - 10.5
• Tiempo de residencia del agua = 2 min• Water residence time = 2 min
La entrada de agua bruta se debe producir por la parte inferior y la salida por la parte superior. El caudal de gas es regulado mediante un controlador de flujo másico, y se burbujeará con ayuda de un difusor colocado en la parte inferior de la columna. El controlador de flujo másico se puede conectar a un pH metro, o a un conductímetro, de forma que controle automáticamente la cantidad de gas necesaria. Debido a la inercia del sistema, el lugar correcto para medir el pH o la conductividad sería la entrada del sedimentador.The raw water inlet must be produced from the bottom and the outlet from the top. The gas flow is regulated by a mass flow controller, and it will be bubbled with the help of a diffuser placed at the bottom of the column. The mass flow controller can be connected to a pH meter, or to a conductimeter, so that it automatically controls the amount of gas needed. Due to the inertia of the system, the correct place to measure the pH or the conductivity would be the entrance of the settler.
Puesto que se producirán deposiciones de carbonato cálcico sobre los distintos elementos de la columna, es necesario realizar limpiezas mediante una dilución de agua con HCI al 0,05%. Esta dilución acida es suficiente para limpiar las posibles costras de carbonato cálcico.Since depositions of calcium carbonate will occur on the different elements of the column, it is necessary to perform cleaning by diluting water with 0.05% HCI. This acid dilution is sufficient to clean the possible calcium carbonate scabs.
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Diseño del SedimentadorSedimentator Design
La reacción de carbonatación es un proceso instantáneo, en el que precipita carbonato cálcico que debe ser eliminado del agua. Para ello, se propone la construcción de un sedimentador capaz de retirar un porcentaje elevado de los sólidos en suspensión (carbonato cálcico) generados en la columna.The carbonation reaction is an instantaneous process, in which calcium carbonate precipitates that must be removed from the water. For this, the construction of a settler capable of removing a high percentage of suspended solids (calcium carbonate) generated in the column is proposed.
Fundamento teórico de los procesos de sedimentaciónTheoretical basis of sedimentation processes
La sedimentación es un proceso muy utilizado en los tratamientos de aguas residuales y que sirve para separar los sólidos en suspensión del agua. En este proceso, una vez se ha realizado el burbujeo de C02 y han ocurrido los fenómenos de carbonatación, obtenemos una mezcla de agua y carbonato cálcico en suspensión. La idea, es conseguir sedimentar ese carbonato cálcico del agua. Se podría separar mediante filtración, pero las elevadas concentraciones de sólidos en suspensión (T.S.S) lo hacen desaconsejable. Además, la sedimentación es un proceso que no requiere de energía externa, por lo que los costes operacionales son mucho menores.Sedimentation is a process widely used in wastewater treatments and that serves to separate suspended solids from water. In this process, once the bubbling of CO2 has been carried out and the carbonation phenomena have occurred, we obtain a mixture of water and calcium carbonate in suspension. The idea is to settle that calcium carbonate in the water. It could be separated by filtration, but the high concentrations of suspended solids (T.S.S) make it inadvisable. In addition, sedimentation is a process that does not require external energy, so the operational costs are much lower.
Existen tres tipos de sedimentación en función del tipo de partículas, los tamaños y la formación o no de agregados. Estas son:There are three types of sedimentation depending on the type of particles, the sizes and the formation or not of aggregates. These are:
• Sedimentación discreta. Las partículas que se separan mantienen su individualidad, es decir no se someten a procesos de coalescencia con otras partículas. En este caso las propiedades físicas de las partículas no cambian durante el proceso.• Discrete sedimentation. The particles that separate maintain their individuality, that is, they do not undergo coalescence processes with other particles. In this case the physical properties of the particles do not change during the process.
• Sedimentación con floculación. La aglomeración de las partículas va acompañada de un cambio en la densidad y la velocidad de sedimentación.• Sedimentation with flocculation. The agglomeration of the particles is accompanied by a change in density and sedimentation rate.
• Sedimentación por zonas. Las partículas forman una especie de manta que sedimenta como una masa total presentando una interfase distinta con la fase líquida.• Sedimentation by zones. The particles form a kind of blanket that settles as a total mass presenting a different interface with the liquid phase.
En este caso particular, la sedimentación que más se adecúa a las características de los sólidos generados es la sedimentación por zonas, aunque con algunos parecidos con la sedimentación discreta.In this particular case, the sedimentation that best suits the characteristics of the solids generated is the sedimentation by zones, although with some similar ones with discrete sedimentation.
DiseñoDesign
Para el diseño del sedimentador es necesario calcular tres variables básicas:For the design of the settler it is necessary to calculate three basic variables:
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• Velocidad de sedimentación• Sedimentation rate
• El tiempo de retención hidráulico del sedimentador• The hydraulic retention time of the settler
• El área del sedimentador• The settler area
Estas variables deben ser calculadas en laboratorio mediante curvas de sedimentación. Es muy importante que el burbujeo realizado antes de las experiencias sea homogéneo, pues el proceso de sedimentación dependerá de ello. Para elaborar las curvas de sedimentación se ha trabajado en “batch”, realizando un burbujeo de 2,5 min sobre un volumen de 5 litros. Los caudales de C02 han sido constantes para todas las muestras.These variables must be calculated in the laboratory using sedimentation curves. It is very important that the bubbling carried out before the experiences is homogeneous, since the sedimentation process will depend on it. To prepare the sedimentation curves, we have worked in “batch”, making a bubbling of 2.5 min on a volume of 5 liters. The flow rates of C02 have been constant for all samples.
Se realizaron 7 experiencias diferentes, en las que además de estimar la velocidad de sedimentación, se calculó la variación en la concentración de Sólidos en Suspensión en función del tiempo.Seven different experiences were carried out, in which, in addition to estimating the sedimentation rate, the variation in the concentration of Suspended Solids was calculated as a function of time.
La velocidad de sedimentación se calculará a partir de las curvas de sedimentación, que se logran al representar el avance del frente de sedimentación en función del tiempo. Al ser una sedimentación zonal y discreta, la velocidad de sedimentación es la pendiente de la curva. En este caso, la sedimentación tiene una velocidad constante (línea recta).The sedimentation rate will be calculated from the sedimentation curves, which are achieved by representing the progress of the sedimentation front as a function of time. Being a zonal and discrete sedimentation, the sedimentation rate is the slope of the curve. In this case, sedimentation has a constant velocity (straight line).
En las experiencias realizadas se observa la existencia de dos frentes de sedimentación. Un primer frente (que se deposita relativamente rápido) y que se corresponde con el Frente 1 (Fig. 6). Su tiempo de sedimentación es menor a 10 minutos. Y un segundo frente, o frente de clarificación, Frente 2, con una velocidad de sedimentación mucho menor. El avance del primer frente sólo se observó con claridad en una experiencia (experiencia V). En el resto de experiencias, aunque no se observó bien el avance, quedaba patente la existencia del mismo (Fig. 6). En el avance del segundo frente existe una gran variabilidad en las velocidades de sedimentación, debido principalmente a las posibles variaciones en el burbujeo inicial. A simple vista, queda patente que un porcentaje importante de la eliminación de los sólidos en suspensión se producen en el avance del Frente 1 ((1), Fig. 6). El avance del Frente 1 se comporta como una función logarítmica, con un sedimentación rápida y constante en los primeros minutos, que da paso un una disminución de la velocidad de sedimentación. Esto se debe a que este avance se comporta como una sedimentación zonal. En cambio, el Frente 2 ((2), Fig. 6) se comportan como una función lineal, siendo constante la velocidad de sedimentación. Se debe al comportamiento como una sedimentación discreta (ver Fig. 7 donde se muestra (1): experiencia I, pH = 9,86; (2):In the experiences made, there are two sedimentation fronts. A first front (which is deposited relatively quickly) and which corresponds to Front 1 (Fig. 6). Its settling time is less than 10 minutes. And a second front, or clarification front, Front 2, with a much lower sedimentation rate. The advance of the first front was only clearly observed in one experience (experience V). In the rest of the experiences, although progress was not well observed, its existence was evident (Fig. 6). In the advance of the second front there is a great variability in sedimentation rates, mainly due to the possible variations in the initial bubbling. At first glance, it is clear that a significant percentage of the elimination of suspended solids occurs in the advance of Front 1 ((1), Fig. 6). The advance of Front 1 behaves as a logarithmic function, with rapid and constant sedimentation in the first minutes, which leads to a decrease in sedimentation speed. This is because this advance behaves like a zonal sedimentation. In contrast, Front 2 ((2), Fig. 6) behave as a linear function, the sedimentation rate being constant. It is due to the behavior as a discrete sedimentation (see Fig. 7 where it is shown (1): experience I, pH = 9.86; (2):
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experiencia II, pH = 9,5; (3): experiencia III, pH =8,67; (4); experiencia IV, pH = 8,34; (5): experiencia V, pH = 10,36 y (6): experiencia VI, pH = 8,34).experience II, pH = 9.5; (3): experience III, pH = 8.67; (4); IV experience, pH = 8.34; (5): experience V, pH = 10.36 and (6): experience VI, pH = 8.34).
Pero además, se estudió la variación de la concentración del T.S.S con el tiempo. Queda patente que aunque las velocidades de sedimentación del Frente 2 son muy variables, esto no interfiere demasiado en la eliminación de los S.S, pues esta se relaciona más con el Frente 1. En la Fig. 8 (donde (1) representa el valor medio) se puede observar que para un tiempo de unos 30 min, se han eliminado más del 80 % de los S.S. Para eliminar valores mayores nos tendríamos que ir a tiempos de retención mayores.But in addition, the variation of the concentration of the T.S.S over time was studied. It is clear that although the sedimentation rates of Front 2 are very variable, this does not interfere too much in the elimination of SS, since this is more related to Front 1. In Fig. 8 (where (1) represents the average value ) it can be seen that for a time of about 30 min, more than 80% of the SS have been removed To eliminate higher values we would have to go to longer retention times.
Una vez estimadas las velocidades de sedimentación (pendiente de la curva) y el tiempo de retención hidráulico (tiempo en el que estimemos que se produce la mayor parte de la eliminación de sólidos), es necesario calcular el área del sedimentador. Esto se debe a que los procesos de sedimentación están más relacionados con la superficie de sedimentación que con la altura del sedimentador. Existen dos metodologías para estimar el área necesaria para el sedimentador. En función de la velocidad de sedimentación o en función del tiempo de espesamiento. Ambas, están diseñadas para el tratamiento de aguas residuales, de forma que tendremos que tener en cuenta las posibles variaciones. En este caso, al tener dos frentes claros de sedimentación, y al ser el primer frente mucho más eficiente que el segundo, es más conveniente estimar el área en función del tiempo de espesamiento en vez de en función de la velocidad de sedimentación.Once the sedimentation rates (slope of the curve) and the hydraulic retention time (time in which we estimate that most of the removal of solids) are estimated, it is necessary to calculate the area of the settler. This is because the sedimentation processes are more related to the sedimentation surface than to the height of the settler. There are two methodologies to estimate the area necessary for the settler. Depending on the sedimentation rate or as a function of thickening time. Both are designed for wastewater treatment, so we will have to take into account possible variations. In this case, having two clear settling fronts, and being the first front much more efficient than the second, it is more convenient to estimate the area as a function of thickening time rather than as a function of sedimentation rate.
Para ello se utiliza la siguiente fórmula: A = Qtu/Ho. Donde:For this, the following formula is used: A = Qtu / Ho. Where:
A= áreaA = area
Q= caudal de entrada (m3/s)Q = input flow (m3 / s)
tu= tiempo necesario para lograr la concentración necesaria (s)tu = time needed to achieve the necessary concentration (s)
H0= altura inicial de la interfase (m).H0 = initial interface height (m).
Así, tu se corresponde con el tiempo necesario para lograr la clarificación deseada (30 min para una eliminación superior al 80 % de los S.S). Este tiempo se corresponde con el tiempo de retención hidráulico. De esta relación podemos extraer que: Lw = Ho/tu, donde Lw es la carga hidráulica expresada en m3/m2h.Thus, you correspond to the time needed to achieve the desired clarification (30 min for a removal greater than 80% of the S.S). This time corresponds to the hydraulic retention time. From this relationship we can extract that: Lw = Ho / tu, where Lw is the hydraulic load expressed in m3 / m2h.
Así, aunque mediante un proceso de sedimentación se puede conseguir una reducción total de los T.S.S, es necesario establecer un límite, pues el tamaño final del equipo dependeráThus, although through a sedimentation process a total reduction of the T.S.S can be achieved, it is necessary to establish a limit, since the final size of the equipment will depend
de estas variables. Por ello, se ha establecido un tiempo óptimo de sedimentación de 30 min, con lo que aseguramos conseguir reducciones superiores al 80 % de T.S.S.of these variables. Therefore, an optimal settling time of 30 min has been established, which ensures that reductions greater than 80% of T.S.S.
Fijado el tiempo de espesamiento, la carga hidráulica es de 0,70 m3/m2h. Con esta variable, 5 se puede diseñar el sedimentador para cualquier caudal de entrada, y junto con el tiempo óptimo de sedimentación, las dimensiones del mismo (tabla 3).Once the thickening time is set, the hydraulic load is 0.70 m3 / m2h. With this variable, the settler can be designed for any inlet flow, and together with the optimal settling time, its dimensions (table 3).
Tabla 3. Variables experimentales para el diseño del sedimentadorTable 3. Experimental variables for the settler design
- Variables experimentales Experimental variables
- t„ (min) t „(min)
- 30 30
- H0 (m) H0 (m)
- 0,356 0.356
- Lw (m3/mzh) Lw (m3 / mzh)
- 0,70 0.70
10 Es necesario que el sedimentador final cumpla una serie de características, como que la longitud sea mayor a la anchura (en caso de que el sedimentador sea rectangular), que no existan zonas de corrientes preferentes, que la velocidad del agua sea lo suficientemente lenta como para que no arrastre los sólidos sedimentados, etc. Es imprescindible colocar detectores a la entrada del agua, para evitar la aparición de pasos preferenciales. El diseño 15 del sedimentador se realizará acorde al diseño de los “desare nado res" utilizados en tratamiento de aguas.10 It is necessary that the final settler meets a number of characteristics, such as the length being greater than the width (in case the settler is rectangular), that there are no preferential stream areas, that the water velocity is slow enough so as not to drag sedimented solids, etc. It is essential to place detectors at the entrance of the water, to avoid the appearance of preferential steps. The design 15 of the settler will be carried out according to the design of the “sandblasting res” used in water treatment.
ResumenSummary
20 Las principales variables de diseño que debe cumplir un tratamiento de estas características son las que se recogen en la tabla 4.20 The main design variables that a treatment with these characteristics must comply with are those shown in Table 4.
Tabla 4. Resumen de las principales variables experimentalesTable 4. Summary of the main experimental variables
- Principales variables de diseño Main design variables
- Columna de Burbujeo Bubble Column
- Sedimentador Settler
- Raltura/diámetro Grating / diameter
- 10 Tretención hidráulico (min) 30 10 Hydraulic treatment (min) 30
- Qagua/Qc02 Qagua / Qc02
- 1,8-2,2 Lw (m3/m2h) 0,70 1.8-2.2 Lw (m3 / m2h) 0.70
- pH operacional operational pH
- 8-10,5 8-10.5
- tresidencía (min) Tresidence (min)
- 2 2
55
1010
15fifteen
20twenty
2525
Ejemplo 4: Experiencia pilotoExample 4: Pilot Experience
Con las variables de diseño, se ha realizado una experiencia piloto en continuo de tratamiento de aguas procedente del filtrado de lodos benton¡ticos. Con esta experiencia se trata de comprobar el correcto funcionamiento del proceso.With the design variables, a continuous pilot experience of water treatment from filtering bentonite sludge has been carried out. This experience is about checking the correct functioning of the process.
Para ello, se ha utilizado una columna con un volumen de 3 I, un tiempo de residencia de 2 min, y una capacidad de tratamiento de 1,5 l/min. Ha sido necesario suministrar 0,75 l/min de C02. El flujo de C02 se controló mediante un controlador de flujo másico, y el caudal de agua mediante un caudalímetro tipo rotámetro. El agua era introducida por la parte inferior de la columna con una bomba de impulsión, y salía por la por la parte superior por acción de la gravedad. La distancia que recorría el agua en el interior de la columna era de 60 cm, con una relación altura/diámetro cercana a 8.For this, a column with a volume of 3 I, a residence time of 2 min, and a treatment capacity of 1.5 l / min has been used. It has been necessary to supply 0.75 l / min of C02. The flow of C02 was controlled by a mass flow controller, and the water flow rate by a rotameter type flowmeter. The water was introduced by the bottom of the column with a pump of impulsion, and it left by the one by the part by gravity action. The distance traveled by the water inside the column was 60 cm, with a height / diameter ratio close to 8.
El sedimentador tenía una superficie de 0,15 m2, un volumen de 45 I, y un tiempo de retención hidráulico de 30 min. La carga hidráulica era ligeramente inferior a la establecida como óptima, debido a la imposibilidad de reducir el tamaño del recipiente usado comoThe settler had an area of 0.15 m2, a volume of 45 I, and a hydraulic retention time of 30 min. The hydraulic load was slightly lower than the one established as optimal, due to the impossibility of reducing the size of the container used as
sedimentador.settler
La experiencia piloto ha conseguido unos resultados excelentes. Con una reducción de la conductividad superior al 80%, el agua resultante tiene un pH óptimo para su posterior uso, alrededor de 10,4. El T.S.S es inferior a 50 mg/l. El tratamiento ha sido capaz de eliminar casi la totalidad del ión Ca2* (tabla 7).The pilot experience has achieved excellent results. With a reduction in conductivity greater than 80%, the resulting water has an optimum pH for later use, around 10.4. The T.S.S is less than 50 mg / l. The treatment has been able to remove almost all of the Ca2 * ion (table 7).
Tabla 7. Análisis de las aguas antes y después del tratamientoTable 7. Water analysis before and after treatment
- Muestra Sample
- Agua bruta Agua Tratada % de Reducción Raw water Treated Water% Reduction
- CE uS/cm CE uS / cm
- 8440,00 1550,00 81,63 8440.00 1550.00 81.63
- PH PH
- 12,60 10,40 27,61 12.60 10.40 27.61
- TAC TAC
- 578,64 194,86 66,32 578.64 194.86 66.32
- DUR Hard
- 1185,98 194,86 1185.98 194.86
- TSS TSS
- 12,29 52,40 12.29 52.40
- aniones anions
- mg/L mg/L mg / L mg / L
- hco3 hco3
- 0,00 152,62 0.00 152.62
- o O ÍA> te or OR> you
- 13,80 42,24 13.80 42.24
55
1010
15fifteen
20twenty
2525
- OH OH
- 564,84 0,00 100,00 564.84 0.00 100.00
- soT soT
- 52,41 54,96 52.41 54.96
- cr cr
- 315,33 316,62 315.33 316.62
- cationes cations
- mg/L mg/L mg / L mg / L
- Na* Na *
- 310,83 305,64 310.83 305.64
- Gá57 Ga57
- 474,39 5,64 98,81 474.39 5.64 98.81
Por otro lado el sedimentador ha demostrado una capacidad de remoción de sólidos en suspensión algo mayor a la esperada, en parte porque la superficie era un poco mayor, y por tanto tenía menor carga hidráulica. El sedimentador ha eliminado alrededor del 95 % de los sólidos en suspensión que entraban procedentes de las reacciones de precipitación de la columna de burbujeo. El tratamiento propuesto es capaz de retirar alrededor de 1,4 g de CaC03 por litro tratado.On the other hand, the settler has demonstrated a capacity to remove suspended solids somewhat higher than expected, partly because the surface was slightly larger, and therefore had a lower hydraulic load. The settler has removed about 95% of the suspended solids that came from the precipitation reactions of the bubble column. The proposed treatment is capable of removing about 1.4 g of CaC03 per liter treated.
El agua resultante ha sido sometida a diversos test de floculación, los cuáles han dado negativo. Además, se ha comprobado si existía alguna variación en los resultados de floculación con aguas a diferentes pH, de forma que se realizó el test con agua obtenida directamente de la experiencia piloto, y con agua a la que se le añadió HCI hasta un pH de 8,90. El resultado en ambas experiencias fue el mismo: No ha floculado (Fig. 9, donde (1) corresponde al agua limpia, (2) al agua bruta y (3) al agua tratada).The resulting water has been subjected to various flocculation tests, which have been negative. In addition, it has been verified if there was any variation in the flocculation results with water at different pH, so that the test was carried out with water obtained directly from the pilot experience, and with water to which HCI was added up to a pH of 8.90. The result in both experiences was the same: It has not flocculated (Fig. 9, where (1) corresponds to clean water, (2) to raw water and (3) to treated water).
En esta experiencia queda demostrada la eficacia del sistema propuesto. Con un total de 800 litros de agua bruta (Fig. 9, (2)), se han obtenido 800 litros de agua tratada (Fig. 9, (3))con la calidad suficiente como para ser reintroducida en el ciclo constructivo, dando lugar a nuevos lodos de excelente calidad.This experience demonstrates the effectiveness of the proposed system. With a total of 800 liters of raw water (Fig. 9, (2)), 800 liters of treated water have been obtained (Fig. 9, (3)) with sufficient quality to be reintroduced into the construction cycle, giving place to new sludges of excellent quality.
Ejemplo 5: Adecuación a los requerimientosExample 5: Adaptation to the requirements
Se ha realizado una simulación de las principales variables que debería cumplir un equipo de tratamiento de aguas basado en a tecnología de burbujeo de C02 y posterior sedimentación según los valores de caudales recogidos en la Tabla 5 y Tabla 6.A simulation of the main variables that a water treatment equipment based on C02 bubbling technology and subsequent sedimentation according to the flow values set out in Table 5 and Table 6 has been carried out.
Tabla 5. Variables para el diseño de la columna de burbujeo.Table 5. Variables for the design of the bubble column.
- Columna de burbujeo Bubble column
- ^residencia —2 ITlin ^ residence —2 ITlin
- Max medí med2 Max I measured med2
- Q (rrrVh) Q (rrrVh)
- 20 14 10 20 14 10
- Q (l/min) Q (l / min)
- 333,33 233,33 166,67 333.33 233.33 166.67
- Volumen co¡unma (mJ) Common volume (mJ)
- 0,67 0,47 0,33 0.67 0.47 0.33
- Dimensiones (m) Dimensions (m)
- Altura Height
- 4,4 3,7 3,5 4.4 3.7 3.5
- Superficie Surface
- 0,2 0,1 0,1 0.2 0.1 0.1
- Diámetro Diameter
- 0,440 0,400 0,350 0.440 0.400 0.350
- R(A/D) R (A / D)
- 9,965 9,284 9,899 9,965 9,284 9,899
Tabla 6. Variables para el diseño del sedimentadorTable 6. Variables for the settler design
- Sedimentador Settler
- ^retención hidáulico — 35 ^ hydraulic retention - 35
- min min
- Max medí med2 Max I measured med2
- Q (ma/h) Q (ma / h)
- 20 14 10 20 14 10
- O (l/min) O (l / min)
- 333,33 233,33 166,67 333.33 233.33 166.67
- Lw (m3/nfh) Lw (m3 / nfh)
- 0,650 0,650 0,650 0.650 0.650 0.650
- Voiúmen (m3) Voice (m3)
- 11,67 8,17 5,83 11.67 8.17 5.83
- Dimensiones (m) Dimensions (m)
- Área Area
- 30,77 21,54 15,38 30.77 21.54 15.38
- Altura Height
- 0,379 0,379 0,379 0,379 0,379 0,379
- Largo Long
- 8 7 6 8 7 6
- Ancho Width
- 3,85 3,08 2,56 3.85 3.08 2.56
- fí(Largo/ancho) fí (Length / width)
- 2,08 2,275 2,34 2.08 2,275 2.34
Claims (10)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
ES201430558A ES2548426B1 (en) | 2014-04-15 | 2014-04-15 | Process for the treatment of water from bentonite sludge |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
ES201430558A ES2548426B1 (en) | 2014-04-15 | 2014-04-15 | Process for the treatment of water from bentonite sludge |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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ES2548426A1 ES2548426A1 (en) | 2015-10-16 |
ES2548426B1 true ES2548426B1 (en) | 2016-07-26 |
Family
ID=54290159
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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ES201430558A Active ES2548426B1 (en) | 2014-04-15 | 2014-04-15 | Process for the treatment of water from bentonite sludge |
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ES (1) | ES2548426B1 (en) |
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FR2751564B1 (en) * | 1996-07-26 | 2001-10-12 | Inst Francais Du Petrole | METHOD AND DEVICE FOR THE OPERATION OF A THREE-PHASE BUBBLE COLUMN WITH FISCHER-TROPSCH SYNTHESIS APPLICATION |
WO2009032455A1 (en) * | 2007-08-02 | 2009-03-12 | Ecosphere Technologies, Inc. | Enhanced water treatment for reclamation of waste fluids and increased efficiency treatment of potable waters |
US20130118994A1 (en) * | 2011-03-21 | 2013-05-16 | R360 Environmental Solutions | System and Methods for Wastewater and Produced Water Cleaning and Reclamation |
-
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- 2014-04-15 ES ES201430558A patent/ES2548426B1/en active Active
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